La microscopía de luz polarizada es una técnica que utiliza luz polarizada para examinar y analizar muestras. La luz polarizada se refiere a la luz que vibra en un solo plano, a diferencia de la luz ordinaria que vibra en múltiples planos. Cuando la luz polarizada atraviesa una muestra, interactúa con el material y cambia su estado de polarización. Al analizar los cambios en la polarización, los científicos pueden obtener información valiosa sobre la muestra.
En la configuración del microscopio de polarización, hay dos filtros polarizadores; el polarizador y el analizador. El polarizador está situado debajo de la platina de la muestra, regularmente con su dirección de vibración Este-Oeste y el analizador ubicado sobre los objetivos, normalmente alineado Norte-Sur. Esto quiere decir que sus ejes de transmisión están perpendicularmente orientados entre sí. En esta configuración, se dice que el polarizador y el analizador están cruzados, y bajo ausencia de muestra solo se observa un fondo negro bajo los oculares. Los cristales pueden tener un solo eje óptico, en cuyo caso son uniaxiales, o dos ejes ópticos diferentes, en cuyo caso son biaxiales. Los materiales no cristalinos generalmente no tienen birrefringencia y, por lo tanto, no tienen eje óptico. La microscopía de luz polarizada es una poderosa herramienta para analizar materiales, minerales y microestructuras birrefringentes. Mediante el uso de luz polarizada, los científicos e investigadores pueden obtener información valiosa sobre las propiedades y estructuras de los materiales.
Estructura cristalina. Los minerales y cristales son sustancias químicas cuyos átomos están ordenados espacialmente según tres direcciones cristalográficas (ejes cristalográficos x, y, z) que forman entre ellos determinados ángulos y, según estas direcciones, los átomos se repiten a una distancia constante según cada eje. El grupo más pequeño de partículas en el material que constituye el patrón repetitivo es la celda unitaria, la cual genera toda la red (todo el cristal). Esta celda define la simetría y la estructura de toda la red cristalina, que se construye mediante la traducción repetitiva de la celda unitaria a lo largo de sus ejes principales. La estructura cristalina y la simetría juegan un papel en la determinación de muchas propiedades físicas, químicas y estructurales. Los cuerpos cristalinos forman redes que se ordenan en torno a una serie de elementos de simetría, cuya cantidad y distribución determina los diferentes sistemas de cristalización. Los ejes de simetría son líneas imaginarias que cruzan el interior de la estructura cristalina y al girar 360º hacen que el motivo geométrico del cristal se repita un número determinado de veces. Los cristales pueden tener un solo eje óptico, en cuyo caso son uniaxiales, o dos ejes ópticos diferentes, en cuyo caso son biaxiales. Los materiales no cristalinos generalmente no tienen birrefringencia y, por lo tanto, no tienen eje óptico.
Anisotropía y doble refracción (Birrefringencia). La anisotropía es una propiedad de los materiales que se refiere a la distribución no uniforme de sus propiedades en diferentes direcciones debido a su estructura molecularmente ordenada y no simétrica. Los materiales anisotrópicos presentan la doble refracción o birrefringencia, que consiste en desdoblar un rayo de luz incidente en dos rayos linealmente polarizados que vibran perpendicularmente entre sí. Uno de los rayos sigue las leyes normales de la refracción y se llama el rayo ordinario, mientras que el otro, llamado el rayo extraordinario, va a experimentar una velocidad y un índice de refracción variable dependiendo de la dirección de propagación. El diferencial del índice de refracción entre los rayos ordinarios y extraordinarios, que viajan a través de un material anisotrópico es una cantidad medible, que se conoce como birrefringencia y puede expresarse como un valor absoluto mediante la ecuación: (B) = ne – no, donde n(e) y n(o) son los índices de refracción experimentados por los rayos extraordinarios y ordinarios, respectivamente. La birrefringencia es una propiedad importante en la mineralogía, geología, química y biología, ya que permite la identificación y el estudio de materiales anisotrópicos.
La indicatriz óptica. La indicatriz óptica es un modelo geométrico que representa todos los posibles índices de refracción de un medio transparente. Para un material isotrópico, la propagación de las ondas ocurre a velocidad constante, debido a que el índice de refracción experimentado es uniforme en todas las direcciones, lo que hace que se pueda describir por medio de una esfera. Sin embargo, para los materiales de carácter anisotrópico, el frente de onda extraordinario va a encontrar variaciones en cuanto al índice de refracción en función de la dirección de propagación, por lo tanto, se describe mediante la superficie de un elipsoide en revolución. En este elipsoide, el límite superior e inferior de la velocidad de onda extraordinaria están definidos por el eje largo y corto del elipsoide. El frente de onda alcanza su velocidad máxima cuando se propaga de forma paralela al eje longitudinal del elipsoide, que se conoce como el eje rápido. Por otro lado, los frentes de onda que se propagan a lo largo del eje corto o también conocido como el eje lento del elipsoide, viajan a velocidades más lentas. Cuando los frentes de onda viajan entre estos dos extremos, experimentan un gradiente de índice de refracción, y se propagan con velocidades intermedias que dependerán de la orientación. Los cristales pueden tener un solo eje óptico, en cuyo caso son uniaxiales, o dos ejes ópticos diferentes, en cuyo caso son biaxiales. Los materiales no cristalinos generalmente no tienen birrefringencia y, por lo tanto, no tienen eje óptico.
El microscopio de luz polarizada es un tipo de microscopio óptico que se utiliza para examinar diferentes propiedades ópticas de muestras anisotrópicas, facilitando su identificación y diagnóstico. Para su funcionamiento, se requieren elementos especializados que lo distinguen de un microscopio convencional, como polarizadores, una platina especializada, una lente de Bertrand y placas de retardo. La luz proveniente de la fuente de iluminación llega al primer polarizador, el cual filtra selectivamente el plano de vibración de la luz a un solo plano. Posteriormente, el rayo de luz polarizado incide sobre la muestra birrefringente, donde se divide en dos componentes (la onda ordinaria y extraordinaria), las cuales están polarizadas en planos mutuamente perpendiculares. Dependiendo de la dirección de propagación, cada una de estas ondas experimenta un índice de refracción y una velocidad específica, lo que genera un ligero retardo entre ellas. Subsiguientemente, estas ondas viajan hacia el analizador, donde se recombinan con interferencia constructiva y/o destructiva, dependiendo del retardo relativo y se visualizan en los oculares como variaciones de intensidad y colores.
Orientación del cristal y variaciones de birrefringencia.
Identificación de materiales. La identificación de minerales se realiza a partir del estudio de las diferentes propiedades ópticas, como el color, la transparencia, el brillo, la raya, la luminiscencia, la doble refracción, el índice de refracción, el pleocroísmo, la birrefringencia, la dispersión, la extinción y la cristalografía. La microscopía de luz polarizada es una técnica que permite determinar las propiedades ópticas de un mineral y contribuir al proceso de identificación. Algunas de las propiedades ópticas que se pueden determinar mediante esta técnica son el índice de refracción, la isotropía y anisotropía (birrefringencia), el ángulo de extinción y los signos ópticos. La orientación del cristal y las variaciones de birrefringencia también son importantes para la identificación de minerales. A medida que la muestra gira en relación con los polarizadores, la intensidad de los colores de polarización varía cíclicamente, desde el punto de extinción hasta un brillo máximo que se alcanza a los 45 grados, para luego volver a bajar hasta el siguiente punto de extinción después de una rotación de 90 grados.
Colores de interferencia y determinación de birrefringencia.
Placas de retardo. Los colores de interferencia son los colores falsos que se observan en las muestras birrefringentes iluminadas con luz blanca, cuando se observan bajo polarizadores cruzados. Estos colores son el resultado de la transmisión desigual por parte del analizador de los diversos componentes de la luz blanca o policromática. Cada longitud de onda de la luz monocromática presenta un grado de transmisión diferente, que depende del retardo o la diferencia de trayectoria óptica que se produce en el cristal para cada una de ellas. La tabla de Michel Levy permite realizar un análisis cuantitativo de los colores de interferencia observados en muestras birrefringentes, por medio de la correlación entre el valor de retardo, el espesor de la muestra y la birrefringencia de la muestra. Las placas de retardo son herramientas especializadas que se utilizan para introducir una cantidad fija de retardo entre los frentes de onda ortogonales que pasan a través de la muestra. Estas placas están compuestas de minerales de cuarzo, mica y yeso, las cuales son ópticamente anisotrópicas. Las placas de retardo más comúnmente utilizadas son las de retardo de primer orden y las de un cuarto de longitud de onda. Las placas de primer orden agregan una diferencia de camino óptico entre 530 y 560 nanómetros a cada frente de onda y se utilizan para determinar el signo óptico o para mejorar el contraste en muestras con birrefringencia débil. Las placas de retardo de un cuarto de longitud de onda están diseñadas para introducir un retardo relativo de exactamente un cuarto de longitud de onda o 90 grados, entre los frentes de onda ordinarios y extraordinarios. Este tipo de placas son utilizadas comúnmente para el análisis cualitativo de imágenes conoscópicas y para la evaluación de las diferencias de camino óptico en especímenes birrefringentes.
Las placas se colocan en un marco rectangular que se inserta en la vía óptica del microscopio, normalmente en el revólver o entre el tubo intermedio y los oculares, en un ángulo de 45 grados con respecto a las orientaciones de transmisión del polarizador y el analizador. La dirección del eje lento del elipsoide de frente de onda se indica en el marco de la placa de retardo como una flecha de dos puntas acompañada del símbolo griego para «gamma» (γ) y normalmente va perpendicular a la dimensión larga del marco de la placa de retardo. Las placas de retardo de primer orden agregan una diferencia de camino óptico entre 530 y 560 nanómetros a cada frente de onda y se utilizan para determinar el signo óptico o para mejorar el contraste en muestras con birrefringencia débil. Las placas de retardo de un cuarto de longitud de onda están diseñadas para introducir un retardo relativo de exactamente un cuarto de longitud de onda o 90 grados, entre los frentes de onda ordinarios y extraordinarios. Este tipo de placas se utilizan comúnmente para el análisis cualitativo de imágenes conoscópicas y para la evaluación de las diferencias de camino óptico en especímenes birrefringentes. Para identificar el eje lento y rápido de un mineral con ayuda de la placa de retardo, se deben seguir los siguientes pasos: rotar la platina hasta encontrar el punto de extinción del mineral, girar la platina en 45° en sentido horario y observar el color de interferencia en la tabla de Michel Levy. Si el color de interferencia cambia a un orden superior, el rayo lento en la placa accesoria es paralelo al rayo lento en el grano mineral. Si el color de interferencia cambia hacia un orden inferior, el rayo lento de la placa es paralelo al rayo rápido en el mineral.
Figuras de interferencia. Las figuras de interferencia son una técnica utilizada para identificar minerales mediante el uso de un microscopio de luz polarizada. Para obtener una figura de interferencia, se utiliza iluminación conoscópica (convergente) y se inserta un lente condensador entre la fuente de luz y los cristales, y otro lente llamado lente de Bertrand entre el objetivo y las lentes oculares. La figura de interferencia consiste en bandas oscuras que forman una cruz negra llamada isogiras, y bandas de colores que forman círculos concéntricos alrededor de la cruz, llamadas isocromas. El punto en el centro donde ambas isogiras se cortan se llama melátopo, y marca la emergencia del eje óptico. Dependiendo del espesor y birrefringencia del mineral, se pueden observar diferentes colores de interferencia que aumentan hacia afuera desde el melátopo, siendo los más cercanos de primer orden y los más lejanos de órdenes superiores. La figura de interferencia es útil para determinar si un mineral anisótropo es uniaxial o biaxial, y también para determinar el signo óptico. Los cristales uniaxiales presentan una figura de interferencia muy típica, formada por una cruz característica, mientras que los cristales biáxicos manifiestan una figura de interferencia más compleja.
Signo óptico. Las figuras de interferencia son una técnica utilizada para identificar minerales mediante un microscopio de luz polarizante. Estas figuras se obtienen mediante iluminación conoscópica (convergente) y permiten determinar si un mineral anisótropo es uniaxial o biaxial, y también para determinar el signo óptico. La figura de interferencia se compone de bandas oscuras que forman una cruz negra llamada isogiras, y de bandas de colores que forman círculos concéntricos alrededor de la cruz, llamadas isocromas. El signo óptico indica el tipo de doble refracción de un mineral, y se determina a partir del cambio de colores que se visualizará en los cuatro cuadrantes al insertar la placa de retardo. Si el mineral es ópticamente POSITIVO, en los cuadrantes noreste y suroeste los colores de interferencia subirán, mientras que en los cuadrantes noroeste y sureste bajarán. Si el mineral es ópticamente NEGATIVO, el color en los cuadrantes noreste y suroeste bajará, mientras que en los cuadrantes noroeste y sureste subirá.
Puntos de extinsón. Los minerales anisotrópicos se oscurecen o se extinguen bajo polarizadores cruzados una vez cada 90º de rotación de la platina del microscopio. Estos ocurren debido a que las direcciones de vibración de la onda que llegan al analizador son perpendiculares a éste y por lo consiguiente se anulan. El ángulo que se forman entre determinadas direcciones cristalográficas (caras, exfoliación, maclas, etc…) Con respecto a las direcciones ópticas de extinción, se conoce como ángulo de extinción y se utiliza para identificar algunos minerales. De acuerdo a esto, existen tres categorías principales de extinción: paralela, inclinada y simétrica.
- Extinción de Paralela. Se extinguen cuando sus divisiones o direcciones de elongación son paralelas al polarizador superior o inferior.
- Extinción inclinada u oblicua. Muchos minerales se extinguen cuando las divisiones o los límites de los cristales se encuentran en ángulos oblicuos a los planos de vibración de los polarizadores. Estos casos se dice que tienen extinción inclinada u oblicua.
- Extinción simétrica. Existe una serie de minerales que presentan patrones de escisión o cristales con sección transversal rómbica. En muchos casos, estos tienen el punto de extinción cuando los planos de vibración de los polarizadores son paralelas a las diagonales de los patrones rómbicos. En otras palabras, se extinguen en ángulos simétricos con respecto a las divisiones o caras del cristal.
El comportamiento resultante de la extinción permite la distinción entre minerales de alta simetría (hexagonal, trigonal, tetragonal y ortorrómbica) y aquellos de simetría menor (monoclínica, triclínica).